Как сделать регулятор оборотов коллекторного двигателя?

При использовании электродвигателя в инструментах, одной из серьёзных проблем является регулировка скорости их вращения. Если скорость недостаточно высока, то действие инструмента является недостаточно эффективным.

Если же она излишне высока, то это приводит не только к существенному перерасходу электрической энергии, но и к возможному пережогу инструмента. При слишком высокой скорости вращения, работа инструмента может стать также менее предсказуемой. Как это исправить? Для этой цели принято использовать специальный регулятор скорости вращения. Особенно вас должны интересовать схемы, которые работают без потери мощности

Двигатель для электроинструментов и бытовой техники обычно относится к одному из 2 основных типов:

1. Коллекторные двигатели.
2. Асинхронные двигатели.

В прошлом, вторая из указанных категорий имела наибольшее распространение. Сейчас, примерно 85% двигателей, которые употребляются в электрических инструментах, бытовой или кухонной технике, относятся к коллекторному типу. Объясняется это тем, что они имеют большую степень компактности, они мощнее и процесс управления ими является более простым.

Действие любого электродвигателя построено на очень простом принципе: если между полюсами магнита поместить прямоугольную рамку, которая может вращаться вокруг своей оси, и пустить по ней постоянный ток, то рамка станет поворачиваться. Направление вращения определяется согласно «правилу правой руки».

Эту закономерность можно использовать для работы коллекторного двигателя.

Важным моментом здесь является подключение тока к этой рамке. Поскольку она вращается, для этого используются специальные скользящие контакты. После того, как рамка повернётся на 180 градусов, ток по этим контактам потечёт в обратном направлении. Таким образом, направление вращения останется прежним. При этом, плавного вращения не получится. Для достижения такого эффекта принято использовать несколько десятков рамок.

Устройство

Коллекторный двигатель состоит обычно из ротора (якоря), статора, щёток и тахогенератора:

1. Ротор — это вращающаяся часть, статор — это внешний магнит.
2. Щётки, сделанные из графита – это основная часть скользящих контактов, через которую на вращающийся якорь подаётся напряжение.
3. Тахогенератор – это прибор, который отслеживает характеристики вращения. В случае нарушения равномерности движения, он корректирует поступающее в двигатель напряжение, тем самым делая его более плавным.
4. Статор может содержать не один магнит, а, например, 2 (2 пары полюсов). Также, вместо статических магнитов, здесь могут быть использованы и катушки электромагнитов. Работать такой мотор может как от постоянного, так и от переменного тока.

Простота регулировки скорости коллекторного двигателя определяется тем, что скорость вращения прямо зависит от величины поданного напряжения.

Кроме этого, важной особенностью является то, что ось вращения непосредственно можно присоединять к вращающемуся инструменты без использования промежуточных механизмов.

Если говорить об их классификации, то можно говорить о:

1. Коллекторных двигателях постоянного тока.
2. Коллекторных двигателях переменного тока.

В этом случае, речь идёт о том, каким именно током происходит питание электродвигателей.

Разница состоит в том, как организованы эти подключения.

Тут принято различать:

• Параллельное возбуждение.
• Последовательное возбуждение.
• Параллельно-последовательное возбуждение.

Регулировка

Теперь расскажем о том, как можно регулировать обороты коллекторных двигателей. В связи с тем, что скорость вращения мотора просто зависит от величины подаваемого напряжения, то любые средства регулировки, которые способны выполнять эту функцию для этого вполне пригодны.

Перечислим несколько такого рода вариантов для примера:

1. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).
2. Заводские платы регулировки, используемые в бытовых приборах (можно использовать в частности те, которые применяются в миксерах или в пылесосах).
3. Кнопки, используемые в конструкции электроинструментах.
4. Бытовые регуляторы освещения с плавным действием.

Однако, все вышеперечисленные способы имеют очень важный изъян. Вместе с уменьшением оборотов, одновременно уменьшается и мощность работы мотора. В некоторых случаях, его можно остановить даже просто рукой. В некоторых случаях, это может быть приемлемо, но большей частью, это является серьёзным препятствием.

Хорошим вариантом является выполнение регулировки оборотов посредством использования тахогенератора. Его обычно устанавливают на заводе. При отклонениях в скорости вращения мотора, через симисторы в мотор передаётся уже откорректированное электропитание, соответствующее требуемой скорости вращения. Если в эту схему встроить регулировку вращения мотора, то потери мощности здесь происходить не будет.

Как это выглядит конструктивно? Наиболее распространены реостатная регулировка вращения, и сделанная на основе использования полупроводников.

В первом случае, речь идёт о переменном сопротивлении с механической регулировкой. Она последовательно подключается к коллекторному электродвигателю. Недостатком является дополнительное выделение тепла и дополнительная трата ресурса аккумулятора. При таком способе регулировк, происходит потеря мощности вращения мотора. Является дешёвым решением. Не применяется для достаточно мощных моторов по упомянутым причинам.

Во втором случае, при использовании полупроводников, происходит управление мотором путём подачи определённых импульсов. Схема может менять длительность таких импульсов, что в свою очередь, меняет скорость вращения без потери мощности.

Как изготовить своими руками?

Существуют различные варианты схем регулировки. Приведём один из них более подробно.

Вот схема его работы:

Первоначально, это устройство было разработана для регулировки коллекторного двигателя на электротранспорте. Речь шла о таком, где напряжение питания составляет 24 В, но эта конструкция применима и для других двигателей.

Слабым местом схемы, которое было определено при испытаниях её работы, является плохая пригодность при очень больших значениях силы тока. Это связано с некоторым замедлением работы транзисторных элементов схемы.

Рекомендуется, чтобы ток составлял не более 70 А. В этой схеме нет защиты по току и по температуре, поэтому рекомендуется встроить амперметр и контролировать силу тока визуально. Частота коммутации составит 5 кГц, она определяется конденсатором C2 ёмкостью 20 нф.

При этом, рекомендуется подобрать величину R1 таким образом, чтобы правильно настроить работу регулятора. С выхода микросхемы, управляющий импульс поступает на двухтактный усилитель на транзисторах КТ815 и КТ816, далее идёт уже на транзисторы.

Печатная плата имеет размер 50 на 50 мм и изготавливается из одностороннего стеклотекстолита:

На этой схеме дополнительно указаны 2 резистора по 45 ом. Это сделано для возможного подключения обычного компьютерного вентилятора для охлаждения прибора. При использовании в качестве нагрузки электродвигателя, необходимо схему заблокировать блокирующим (демпферным) диодом, который по своим характеристикам соответствует удвоенному значению тока нагрузки и удвоенному значению питающего напряжения.

Работа устройства при отсутствии такого диода может привести к поломке вследствие возможного перегрева. При этом, диод нужно будет поместить на теплоотвод. Для этого, можно воспользоваться металлической пластиной, которая имеет площадь 30 см2.

Регулирующие ключи работают так, что потери мощности на них достаточно малы. В оригинальной схеме, был использован стандартный компьютерный вентилятор. Для его подключения использовалось ограничительное сопротивление 100 Ом и напряжение питания 24 В.

Собранное устройство выглядит следующим образом:

При изготовлении силового блока (на нижнем рисунке), провода должны быть присоединены таким образом, чтобы было минимум изгибов тех проводников по которым проходят большие токи.Мы видим, что изготовление такого прибора требует определённых профессиональных знаний и навыков. Возможно, в некоторых случаях имеет смысл воспользоваться покупным устройством.

Критерии выбора и соимость

Для того, чтобы правильно выбрать наиболее подходящий тип регулятора, нужно хорошо представлять себе, какие есть разновидности таких устройств:

1. Различные типы управления. Может быть векторная или скалярная система управления. Первые применяются чаще, а вторые считаются более надёжными.
2. Мощность регулятора должна соответствовать максимально возможной мощности мотора.
3. По напряжению удобно выбирать устройство, имеющее наиболее универсальные свойства.
4. Характеристики по частоте. Регулятор, который вам подходит, должен соответствовать наиболее высокой частоте, которую использует мотор.
5. Другие характеристики. Здесь речь идёт о величине гарантийного срока, размерах и других характеристиках.

В зависимости от назначения и потребительских свойств, цены на регуляторы могут существенно различаться.

Большей частью они находятся в диапазоне примерно от 3,5 тысяч рублей до 9 тысяч:

1. Регулятор оборотов KA-18 ESC, предназначенный для моделей масштаба 1:10. Стоит 6890 рублей.
2. Регулятор оборотов MEGA коллекторный (влагозащищенный). Стоит 3605 рублей.
3. Регулятор оборотов для моделей LaTrax 1:18. Его цена 5690 рублей.

Регулировка оборотов электродвигателя 220В, 12В и 24В

Для плавности увеличения и уменьшения скорости вращения вала существует специальный прибор – регулятор оборотов электродвигателя 220в. Стабильная эксплуатация, отсутствие перебоев напряжения, долгий срок службы – преимущества использования регулятора оборотов двигателя на 220, 12 и 24 вольт.

Способы изменения вращения зависят от модели электрической машины. Характеристики электрических машин отличаются: постоянного и переменного тока, однофазные, трехфазные. Поэтому говорить нужно о каждом случае отдельно.

Простейший вариант

Легче всего изменять обороты электродвигателя постоянного тока. Они меняются простым изменением напряжения питания. Причем неважно где: на якоре или на возбуждении, но это касается только маломощных машин с минимальной нагрузкой. В основном управление скоростью вращения производят по цепи якоря. Более того, здесь возможно реостатное регулирование, если мощность мотора небольшая, или есть довольно мощный реостат.

Это самый неэкономичный вариант. Механические характеристики двигателя с независимым возбуждением самые невыгодные из-за больших потерь, результатом чего является падение механической мощности, КПД.

Еще одна возможность – введение реостата в обмотку возбуждения. Рассматривая характеристики двигателя с независимым возбуждением, увидим, что регулирование скорости вращения возможно только в сторону увеличения оборотов. Это происходит ввиду насыщения обмотки.

Итак, реостатное регулирование скорости вращения аппарата независимого возбуждения оправдано в системах с минимальной нагрузкой. Лучше всего, когда работа при таком включении буде периодической.

В цепи якоря

Для осуществления этой схемы нужно цепь якоря подключить к источнику напряжения, которое можно менять.

Это возможно в электрических машинах малой или средней мощности. Двигатель большой мощности целесообразно подключить в схему с генератором напряжения независимого возбуждения.

В качестве привода для генератора используют обычный трехфазный асинхронник. Чтобы уменьшить обороты, достаточно на якоре понизить напряжение. Оно меняется от номинального и вниз. Эта схема имеет название «двигатель-генератор». Таким образом можно менять параметры на двигателе 220в.

Для низкого напряжения

Управление агрегатами на 12в проще из-за более низкого напряжения и как следствие, более доступных деталей. Вариантов подобных схем множество, поэтому важно понять сам принцип.

Такой двигатель имеет ротор, щеточный механизм и магниты. На выходе у него всего два провода, контролирование скорости идет по ним. Питание может быть 12, 24, 36в, или другое. Что нужно – это его менять. Лучше, когда в пределах от нуля до максимума. В более простых вариантах 12–0в не получится, другие варианты дают такую возможность.

Кто-то паяет радиоэлементы навесным монтажом, кто-то набирает печатную плату – это уже зависит от желания и возможностей каждого человека.

Этот вариант подойдет, если точность неважна: например, вентилятор. Напряжение меняется от 0 до 12 вольт, пропорционально меняется крутящий момент.

Другой вариант – со стабилизацией оборотов независимо от нагрузки на валу.

Питание 12 вольт, схема очень проста. Двигатель набирает обороты плавно, и также плавно их сбавляет так как напряжение на выходе меняется в пределах 12–0в. Как результат – можно убрать крутящий момент практически до нуля. Если потенциометр крутить в обратном направлении, мотор так же постепенно набирает обороты до максимума. Микросхема очень распространенная, ее характеристики тоже подробно описаны. Питание 12–18в.

Есть еще один вариант, только это уже не для 12, а для 24в питания.

Двигатель постоянного тока, питание – переменное, так как стоит диодный мост. При желании можно мост выбросить и запитывать постоянкой от своего блока питания.

От сети

Однофазные электродвигатели переменного тока также позволяют регулировать вращение ротора.

Коллекторные машины

Такие моторы стоят на электродрелях, электролобзиках и другом инструменте. Чтобы уменьшить или увеличить обороты, достаточно, как и в предыдущих случаях, изменять напряжение питания. Для этой цели также есть свои решения.

Конструкция подключается непосредственно к сети. Регулировочный элемент – симистор, управление которого осуществляется динистором. Симистор ставится на теплоотвод, максимальная мощность нагрузки – 600 Вт.

Если есть подходящий ЛАТР, можно все это делать при помощи его.

Двухфазный двигатель

Аппарат, имеющий две обмотки – пусковую и рабочую, по своему принципу является двухфазным. В отличие от трехфазного имеет возможность менять скорость ротора. Характеристика крутящегося магнитного поля у него не круговая, а эллиптическая, что обусловлено его устройством.

Есть две возможности контролирования числа оборотов:

1. Менять амплитуду напряжения питания (Uy),
2. Фазное – меняем емкость конденсатора.

Такие агрегаты широко распространены в быту и на производстве.

Обычные асинхронники

Электрические машины трехфазного тока, несмотря на простоту в эксплуатации, обладают рядом характеристик, которые нужно учитывать. Если просто изменять питающее напряжение, будет в небольших пределах меняться момент, но не более. Чтобы в широких пределах регулировать обороты, необходимо довольно сложное оборудование, которое просто так собрать и наладить сложно и дорого.

Для этой цели промышленностью налажен выпуск частотных преобразователей, помогающих менять обороты электродвигателя в нужном диапазоне.

Асинхронник набирает обороты в согласии с выставленными на частотнике параметрами, которые можно менять в широком диапазоне. Преобразователь – самое лучшее решение для таких двигателей.

Выбираем устройство

Для того чтобы подобрать эффективный регулятор необходимо учитывать характеристики прибора, особенности назначения.

1. Для коллекторных электродвигателей распространены векторные контроллеры, но скалярные являются надёжнее.
2. Важным критерием выбора является мощность. Она должна соответствовать допустимой на используемом агрегате. А лучше превышать для безопасной работы системы.
3. Напряжение должно быть в допустимых широких диапазонах.
4. Основное предназначение регулятора преобразовывать частоту, поэтому данный аспект необходимо выбрать соответственно техническим требованиям.
5. Ещё необходимо обратить внимание на срок службы, размеры, количество входов.

Прибор триак

Устройство симистр (триак) используется для регулирования освещением, мощностью нагревательных элементов, скоростью вращения.

Схема контроллера на симисторе содержит минимум деталей, изображенных на рисунке, где С1 – конденсатор, R1 – первый резистор, R2 – второй резистор.

С помощью преобразователя регулируется мощность методом изменения времени открытого симистора. Если он закрыт, конденсатор заряжается посредством нагрузки и резисторов. Один резистор контролирует величину тока, а второй регулирует скорость заряда.

Когда конденсатор достигает предельного порога напряжения 12в или 24в, срабатывает ключ. Симистр переходит в открытое состояние. При переходе напряжения сети через ноль, симистр запирается, далее конденсатор даёт отрицательный заряд.

Преобразователи на электронных ключах

Тиристорные регуляторы мощности являются одними из самых распространенных, обладающие простой схемой работы.

Тиристор, работает в сети переменного тока.

Отдельным видом является стабилизатор напряжения переменного тока. Стабилизатор содержит трансформатор с многочисленными обмотками.

Схема стабилизатора постоянного тока

Зарядное устройство 24 вольт на тиристоре

Принцип действия заключаются в заряде конденсатора и запертом тиристоре, а при достижении конденсатором напряжения, тиристор посылает ток на нагрузку.

Процесс пропорциональных сигналов

Сигналы, поступающие на вход системы, образуют обратную связь. Подробнее рассмотрим с помощью микросхемы.

Микросхема TDA 1085

Микросхема TDA 1085, изображенная выше, обеспечивает управление электродвигателем 12в, 24в обратной связью без потерь мощности. Обязательным является содержание таходатчика, обеспечивающего обратную связь двигателя с платой регулирования. Сигнал стаходатчика идёт на микросхему, которая передаёт силовым элементам задачу – добавить напряжение на мотор. При нагрузке на вал, плата прибавляет напряжение, а мощность увеличивается. Отпуская вал, напряжение уменьшается. Обороты будут постоянными, а силовой момент не изменится. Частота управляется в большом диапазоне. Такой двигатель 12, 24 вольт устанавливается в стиральные машины.

Своими руками можно сделать прибор для гриндера, токарного станка по дереву, точила, бетономешалки, соломорезки, газонокосилки, дровокола и многого другого.

Промышленные регуляторы, состоящие из контроллеров 12, 24 вольт, заливаются смолой, поэтому ремонту не подлежат. Поэтому часто изготавливается прибор 12в самостоятельно. Несложный вариант с использованием микросхемы U2008B. В регуляторе используется обратная связь по току или плавный пуск. В случае использования последнего необходимы элементы C1, R4, перемычка X1 не нужна, а при обратной связи наоборот.

При сборе регулятора правильно выбирать резистор. Так как при большом резисторе, на старте могут быть рывки, а при маленьком резисторе компенсация будет недостаточной.

Важно! При регулировке контроллера мощности нужно помнить, что все детали устройства подключены к сети переменного тока, поэтому необходимо соблюдать меры безопасности!

Регуляторы оборотов вращения однофазных и трехфазных двигателей 24, 12 вольт представляют собой функциональное и ценное устройство, как в быту, так и в промышленности.

Измерения

Понятно, что число оборотов нужно как-то определять. Для этого используют тахометры. Они показывают число вращения на данный момент. Обычным мультиметром просто так измерить скорость не получится, разве что на автомобиле.

Как видно, на электрических машинах можно менять различные параметры, подстраивая их под нужды производства и домашнего хозяйства.